Linux下C/C++编程开发（二）静态库和动态库

前言

下面的所有操作的的操作都是基于：

• 操作系统：Ubuntu20.04.3-desktop
• GCC-Version：gcc (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0
• G+±Version：g++ (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0

一、库文件

• 库文件是计算机上的一类文件，可以简单的把库文件看成一种代码仓库，它提供给使用者一些可以直接拿来用的变量、函数或类。
• 库是特殊的一种程序，编写库的程序和编写一般的程序区别不大
• 库文件有两种，静态库 和 动态库（共享库），区别是：静态库在程序的链接阶段被复制到了程序中；动态库在链接阶段没有被复制到程序中，而是程序在运行时由系统动态加载到内存中供程序调用。
• 库的好处：代码保密 和 方便部署和分发

程序编译的过程：

二、静态库 2.1 命名规则

• 对于Linux 平台的话，一般为：libxxx.a
  • lib ：固定前缀
  • xxx：自定义的名称
  • .a：固定后缀

例如有一个静态库的名称：libhello.a

• 对于Windows 平台的话，一般为：libxxx.lib
  • lib ：固定前缀
  • xxx：自定义的名称
  • .lib：固定后缀

2.2 静态库的制作

静态库的制作过程：

制作静态库我们需要用到一个打包工具：ar (archive)

ar 可以将一些 .o 文件打包成一个 .a 静态库

使用方法如下：

ar rcs libxxx.a xxx.o xxx.o……

这里我们举一个例子：

假设我们当前有三个文件：add.c、plus.c、head.h

然后我们先将这两个.c文件编译、汇编成.o 文件，然后再使用ar 打包

gcc -c add.c plus.c

此时我们就会生成 add.o 和 plus.o 文件，然后我们使用ar 命令

ar rcs libcalc.a add.o plus.o

此时我们发现生成了一个 libcalc.a 的文件，注意的是静态库代码中使用到的头文件也需要一并发送，所以我们一般将头文件集中管理，于是创建一个include 文件夹

mkdir include
mv *.h include/

同样为了方便管理静态库文件，我们也创建一个lib文件夹

mkdir lib
mv *.a lib/

此时我们的目录结构应该是这样的

2.3 静态库的使用

现在我们再新建一个main.c 文件，测试一下我们的这个静态库

touch main.c

然后写点简单的内容：

#include 
#include 

int main()
{
    printf("%d\n",add(1,2));
    printf("%d\n",multiply(3,4));
    return 0;
}

然后我们再编译一下：

gcc -o main main.c -I ./include -l calc -L lib

其中-l 是指定链接库的名字，而-L 表示在哪个地方去找库，-I表示的是头文件引用的位置

此时我们就生成了一个可执行程序main，我们试着运行：./main

这就是一个简单的静态库的打包和使用啦~

三、动态库 3.1 命名规则

• 对于Linux 平台的话，一般为：libxxx.so
  • lib ：固定前缀
  • xxx：自定义的名称
  • .so：固定后缀

例如有一个静态库的名称：libhello.a

• 对于Windows 平台的话，一般为：libxxx.dll
  • lib ：固定前缀
  • xxx：自定义的名称
  • .dll：固定后缀

3.2 动态库的制作

动态库的制作过程：

有了上面静态库的学习，动态库的制作其实类似，只不过编译动态库的时候全程使用gcc

步骤主要分为两步：

• 通过 gcc 生成与位置无关的.o文件

仍然使用上面的.c文件（当然这里可以先将.o文件都删掉：rm *.o）加上-fpic 选项生成与位置无关的 .o 文件

为什么要用-fpic呢？

因为 -fpic 用于编译阶段，产生的代码没有绝对地址，全部用相对地址，这正好满足了共享库的要求，共享库被加载时地址不是固定的。如果不加-fpic ，那么生成的代码就会与位置有关，当进程使用该.so文件时都需要重定位，且会产生成该文件的副本，每个副本都不同，不同点取决于该文件代码段与数据段所映射内存的位置

gcc -c -fpic add.c plus.c -I include/

• 通过 gcc 生成动态库

gcc -shared add.o plus.o -o libcalc.so

此时我们就生成了一个libcalc.so 的动态库文件

3.3 动态库的使用

我们将 libcalc.so 移动到 lib目录，并且删除libcalc.a静态库

mv libcalc.so ./lib
rm ./lib/libcalc.a 

此时我们的目录结构如下：

这个main可执行文件是上面的，我们可以先将其删除：rm main

然后我们编译main.c：

gcc -o main main.c -I include -L lib -l calc

此时我们又生成了main的可执行文件

我们试着直接运行，会发现遇到这样的错误： ./main: error while loading shared libraries: libcalc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

其实就是程序运行的时候并未加载到动态库，导致了运行出错

对于动态库而言，程序启动后，动态库会被动态加载到内存中，通过 ldd （list dynamic dependencies）命令检查动态库依赖关系

例如我们这里通过ldd main 来查看main 可执行文件的依赖动态库

我们发现此时的libcalc.so 是一个not found 的情况，所以我们需要在动态库的加载路径上将我们的libcalc.so拷贝过去

首先我们要清楚，动态库如何定位到共享文件？

当系统加载可执行代码时候，能够知道其所依赖的库的名字，但是还需要知道绝对路 径。此时就需要系统的动态载入器来获取该绝对路径。对于elf格式的可执行程序，是 由ld-linux.so来完成的，它先后搜索elf文件的 DT_RPATH段 ——> 环境变量LD_LIBRARY_PATH ——> /etc/ld.so.cache文件列表 ——> /lib/，/usr/lib目录找到库文件后将其载入内存。

流程图：

3.3.1 修改环境变量

新增一行数据：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/mangata/Learn_C++/Linux_study/class2/lib

LD_LIBRARY_PATH 后面跟的是动态库的绝对路径

然后在终端输入source .bashrc 激活环境变量

然后此时我们通过ldd查看main

就已经链接上了

3.3.2 修改/etc/ld.so.cache文件列表

因为该文件是一个二进制文件，不好直接更改，所以我们更改/ect/ld.so.conf文件，在文件末尾加上lib 的路径

然后出来在终端输入sudo ldconfig 使其生效

3.3.3 /lib或/usr/lib目录

所以我们可以将libcalc.so拷贝到/usr/lib目录

sudo cp lib/libcalc.so /usr/lib

此时我们再来通过ldd 查看main文件：

我们发现：libcalc.so => /lib/libcalc.so (0x00007effed09d000) 也就是说此时的动态库是能找到了

于是我们运行./main

四、动静态库的优缺点 4.1 静态库

优点：

• 静态库被打包到应用程序中加载速度快
• 发布程序无需提供静态库，移植方便

缺点：

• 消耗系统资源，浪费内存
• 更新、部署、发布麻烦

4.2 动态库

优点：

• 可以实现进程间资源共享（共享库）
• 更新、部署、发布简单
• 可以控制何时加载动态库

缺点：

• 加载速度比静态库慢
• 发布程序时需要提供依赖的动态库